高速大像素CMOS图像传感器中钳位光电二极管形状设计的研究进展

采用钳位光电二极管(PPD)的CMOS图像传感器,由于其优异的性能,已成为图像传感领域中占主导地位的技术。然而,更大尺寸PPD的应用在电荷传输速度和效率方面存在挑战,特别是在微光、高速探测的场景中,传统的像素设计难以满足必要的性能标准。一种有效的方法是通过PPD的形状设计来提升大像素性能。首先全面概述了产生PPD横向电场的两种机制:边缘电场设计和钳位电压调制,并探讨了基于这两种设计策略的各种设计改进。然后总结了传输栅-浮空扩散(TG-FD)节点收集结构及像素整体布局优化的相关研究进展。此外,还研究了PPD的形状设计对暗电流的影响。通过全面分析PPD形状设计中采用的方法,为提升大像素设计提供了参考。

全局/滚动曝光兼容高动态抗辐照CMOS图像传感器设计

针对高速目标的高精度探测及辐射环境的应用要求,为解决全局与滚动曝光模式兼容难度大、灵敏度和动态低、帧速不高、抗辐照水平低等问题,对CMOS图像传感器架构、像素结构、列并行高精度数字化、高速读出、抗辐照加固等技术进行研究。基于单边列并行DDS、多模兼容的架构方案,设计了一款7.5μm×7.5μm,2048×2048可见光CMOS图像传感器,采用双增益像素结构、高帧速数字化读出、多通道可选输出、像素和电路抗辐照加固等方法,实现了全局与滚动曝光兼容、高灵敏度高动态成像、高精度数字化和高速输出、抗辐照加固等技术验证,填补了国内多模曝光兼容抗辐照CMOS图像传感技术研究空白。测试结果表明:器件功能正常,成像效果良好,动态范围、满阱电荷、灵敏度、帧速、抗辐照等指标满足预期要求,对高速高动态成像及辐射环境的系统应用具有重要意义。

CMOS图像传感器辐射敏感参数测试电路设计及试验验证

以航天领域广泛应用的CMV4000型CMOS图像传感器(CIS)为研究对象,通过开展CIS辐射敏感参数测试电路设计,将CIS辐照电路板与测试电路板中FPGA数据采集及传输板分离,辐照电路板与测试电路板通过接插口通信,从而实现开展辐照试验时对FPGA数据采集部分进行辐射屏蔽防护,避免FPGA数据采集板受到辐射影响。开展了CIS测试电路中的电源模块、数据采集、存储模块、外围电路等设计及PCB版图的布局布线设计。采用VerilogHDL硬件描述语言对各个功能模块进行驱动时序设计,实现CIS辐射敏感参数测试功能。通过开展CMV4000型CIS ^(60)Coγ射线辐照试验,分析了平均暗信号、暗信号非均匀性、暗信号分布等辐射敏感参数随总剂量增大的退化规律,验证了CIS辐射敏感参数测试系统的可靠性。

基于粗细量化并行与TDC混合的CMOS图像传感器列级ADC设计方法

针对传统单斜式模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和串行两步式ADC在面向大面阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器读出过程中的速度瓶颈问题,本文提出了一种用于高速CMOS图像传感器的全并行ADC设计方法.该方法基于时间共享和时间压缩思想,将细量化时间提前到粗量化时间段内,解决了传统方法的时间冗余问题;同时采用插入式时间差值TDC(Time-to-Digital Converter),实现了全局低频时钟下的快速转换机制.本文基于55-nm 1P4M CMOS工艺对所提方法完成了详细电路设计和全面测试验证,在模拟电压3.3 V,数字电压1.2 V,时钟频率250 MHz,输入电压1.2~2.7 V的情况下,将行时间压缩至825 ns,ADC的微分非线性和积分非线性分别为+0.6/-0.6LSB和+1.6/-1.2LSB,信噪失真比(Signal-to-Noise-and-DistortionRatio,SNDR)为68.271 dB,有效位数(Effective Numbers Of Bits,ENOB)达到11.0489 bit,列不一致性低于0.05%.相比现有的先进ADC,本文提出的方法在保证低功耗、高精度的同时,ADC转换速率提高了87.1%以上,为高速高精度CMOS图像传感器的读出与量化提供了一定的理论支撑.

面向高帧率CMOS图像传感器的12位列级全差分SAR/SS ADC设计

针对高帧率CMOS图像传感器的应用需求,提出一种结合逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)和单斜坡(Single Slope,SS)结构的混合型模拟数字转换器(Analog to Digital Converter,ADC)。该ADC的分辨率为12位,其中SAR ADC实现高6位量化,SS ADC实现低6位量化。该ADC采用了全差分结构消除采样开关的固定失调并减少非线性误差,同时在SAR ADC中采用了异步逻辑电路进一步缩短转换周期。采用110 nm 1P4M CMOS工艺对该电路进行了设计和版图实现,后仿真结果表明,在20 MHz的时钟下,转换周期仅为3.3μs,无杂散动态范围为77.12 dB,信噪失真比为67.38 dB,有效位数为10.90位。

不同能量质子辐照CMOS图像传感器的单粒子瞬态效应研究

针对空间环境宽能谱质子辐射导致的CMOS图像传感器单粒子效应问题,开展了不同能量质子辐照试验,研究了质子辐照导致CMOS图像传感器单粒子效应的异常现象、图像特征及参数性能变化规律。试验表明,质子辐照主要导致CMOS图像传感器出现明显的单粒子瞬态(single event transient,SET)效应现象,包括SET亮斑和亮线。通过对比不同条件下的试验结果,分析了质子能量、积分时间等变化对SET亮斑覆盖像素情况、信号水平的影响规律,并结合TCAD仿真工具,分析了SET亮斑的产生机制。研究结果表明:SET亮斑灰度水平和覆盖像素数目均随辐照质子能量增加而增大;SET亮斑覆盖像素最大灰度值、平均灰度值随CMOS图像传感器积分时间增加而增大,通过调节CMOS图像传感器的积分时间,可以明显改变SET亮斑的特征和器件成像性能;从TCAD软件仿真的微观物理过程获得了SET亮斑随积分时间变化的机制,支持了对试验结果的分析和判断。研究结果可为CMOS图像传感器空间辐射效应评估、抗辐射加固提供试验和理论参考。

基于CMOS图像传感器的复合型中子照相电子学系统的研制

针对高能物理实验中高通量、高性能的中子探测需求,本文提出了一种基于CMOS图像传感器的复合型中子照相电子学系统。该系统采用Kintex-7系列的FPGA作为系统逻辑处理的核心器件,利用SiPM的快响应为CMOS图像传感器提供快门触发,使其对光纤光锥投影的中子光斑进行曝光。通过SiPM提供的粗位置信息确定CMOS传感器的感兴趣区域,读出数据传输至上位机进行显示与分析。实验结果表明,该系统中最小像素单元尺寸为28μm×28μm的CMOS传感器能够对孔径为200μm的小孔进行成像,最大偏移为28μm,系统最高计数率为82 kHz,可实现高效率的中子探测。

面向超大面阵CMOS图像传感器的全局斜坡一致性校正方法

针对大面阵CMOS图像传感器(CIS)中存在的斜坡信号不一致性问题,该文提出一种用于CMOS图像传感器的斜坡一致性校正方法。该误差校正方法基于误差存储和电平移位思想,在列级读出电路中引入用于存储各列斜坡不一致性误差的存储电容,根据存储的斜坡不一致性误差对各列的斜坡信号进行电平移位,确保斜坡信号的一致性。该文基于55 nm 1P4M CMOS工艺对提出的斜坡一致性校正方法完成了详细电路设计和全面仿真验证。在斜坡信号电压范围为1.4 V,斜坡信号斜率为71.908 V/ms,像素面阵规模为8 192(H)×8 192(V),单个像素尺寸为10μm的设计条件下,该文提出的校正方法将斜坡不一致性误差从7.89 mV降低至36.8μV。斜坡信号的微分非线性(DNL)为+0.001 3/–0.004 LSB,积分非线性(INL)为+0.045/–0.02 LSB,列级固定模式噪声(CFPN)从1.9%降低到0.01%。该文提出的斜坡一致性校正方法在保证斜坡信号高线性度,不显著增加芯片面积和不引入额外功耗的基础上,斜坡不一致性误差降低了99.53%,为高精度CMOS图像传感器的设计提供了一定的理论支撑。

利用手机CMOS图像传感器测弹簧弹性系数

测量弹簧劲度系数一般有两种方法:拉伸法和简谐振动法.在传统拉伸法测量中,大多通过增减砝码来间接测量,在传统简谐振动法测量实验中,大多采用光电门对弹簧振子周期进行计时.本文主要利用智能手机CMOS图像传感器来测量简谐振动的振子位置随时间变化图像,从图像中提取周期和阻尼信息,进而得出弹簧的弹性系数.改进后,实验数据测量的标准偏差和相对误差较小,分别为0.003 7 N/m和0.26%.本实验能够详细地观察到弱阻尼简谐振动的物理图像,测量出空气和水中的弱阻尼系数.

多分辨率高速线列CMOS图像传感器设计

设计并验证了一款可选分辨率、高速1024线列CMOS图像传感器。为了优化列总线读出速率,芯片采用总线分割技术以减小总线寄生电容,有效提升了信号读出速率。传感器具有4种可选择分辨率功能,使其具有更高的帧频。设计的芯片采用0.5μm标准CMOS工艺成功流片,验证了设计的正确性。测试结果表明:满阱容量为4.76 Me^(-)/像素,动态范围为75 dB;在128分辨率下,帧频能达到36000 frames/s。

一种新型高动态范围CMOS图像传感器结构设计

阐述一种新型的高动态范围CMOS图像传感器结构。在新型CMOS图像传感器中,像素包括两个具有不同感光灵敏度的光电二极管以及多个电荷-电压转换增益档位,列电路具有多个模拟电压增益档位。根据该结构和读出方法,对每个像素只进行一次信号电压的读取,可以显著缩短行读出时间,进而提高帧率。

前段结构对全隔离CMOS图像传感器性能的影响分析

阐述全隔离图像传感器前段不同的金属接触孔结构、多晶硅结构对传感器光学以及电学性能的影响。实验结果表明,在像素隔离区域设置金属接触孔结构,或者同时设置金属接触孔与多晶硅结构,可以提升传感器红外光波段抗串扰能力,并且金属接触孔与多晶硅组合的隔离结构还可以改善传感器电学高温性能。

面向亿级CMOS图像传感器的高速全并行两步式ADC设计方法

针对传统单斜式模数转换器(Analogue-to-Digital Conversion,ADC)和串行两步式ADC在面向大面阵CMOS图像传感器读出过程中的速度瓶颈问题,本文提出了一种用于高速CMOS图像传感器的全并行两步式ADC设计方法,该ADC设计方法基于时间共享和时间压缩思想,将细量化时间提前到粗量化时间段内,解决了传统方法的时间冗余问题;同时针对两步式结构在采样过程中的电荷注入和时钟馈通问题,提出了一种基于误差同步存储技术的误差校正方法,消除了采样电路非理想因素对ADC性能的影响.本文基于55 nm 1P4M CMOS工艺对所提方法完成了详细电路设计和全面测试验证,在模拟电压为3.3 V,数字电压为1.2 V,时钟频率为250 MHz,输入信号为1.472 V的设计条件下,本文设计实现的13 bit ADC转换时间为512 ns,DNL(Differential NonLinearity)为+0.8/-0.8LSB,INL(Integral NonLinearity)为+2.1/-3.5LSB.信噪失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SNDR)达到70 dB,有效位数为11.33 bit,列级功耗为47μW.相比现有的先进ADC,本文提出的方法在保证低功耗、高精度的同时,使ADC转换速率提高了74.4%以上,为高速高精度CMOS图像传感器的读出与量化提供了一定的理论支撑.

应用于CMOS图像传感器的高速全差分两步式ADC设计方法

由于传统的单斜式模数转换器(SS ADC)以及改进的各种架构串行两步式SS ADC普遍存在速度瓶颈问题,均无法满足工业界高帧率CMOS图像传感器的发展需求,该文提出一种应用于高帧率CMOS图像传感器的高速全差分两步式ADC设计方法。该ADC设计方法基于差动斜坡与时间数字转换(TDC)技术,将差动量化嵌套在两步式的量化中,形成了区别于串行量化的并行量化模式,不仅提升了数据量化的速率,而且保证了系统的一致性和鲁棒性;针对传统TDC技术与单斜式ADC的匹配性问题,提出了一种基于电平编码的TDC技术,在ADC量化的最后一个时钟周期内,在不提升系统时钟的情况下,完成时间数字转换,实现了更高精度的量化。该文基于55 nm 1P4M CMOS实验平台完成了所提方法的电路设计、版图设计和测试验证。在模拟电压3.3 V、数字电压1.2 V、时钟频率100 MHz、动态输入范围1.6 V的设计环境下,该文ADC设计精度为12 bit,转换时间仅有480 ns,列级功耗低至62μW,DNL以最低有效位(LSB)计为+0.6/–0.6,INL以最低有效位(LSB)计为+1.2/–1.4,信噪失真比(SNDR)达到70.08 dB,与现有的先进单斜式ADC相比,ADC转换速度提高了52%以上,可以有效压缩行处理时间,为高帧率大面阵CMOS图像传感器的实现提供了有效的解决方案。

应用于高速图像传感器的高线性度Latch ADC

针对高速应用设备对CMOS图像传感器高速、高线性度的要求,本文在传统SS ADC(Single Slope ADC,单斜模数转换器)的基础上,实现了一款应用于图像传感器的Latch ADC,工作频率达到了600 MHz。Latch ADC可以多列像素共用一个Gray Code计数器,并通过Latch结构快速锁定和存储数据,实现了SS ADC中Counter和SRAM的功能。本文采用110 nm工艺,实现了一种高速12位Latch ADC。经过仿真验证,本文的Latch ADC具有高线性度,每次转换的周期为7.094μs,平均功率为180.3μW,转换功耗为1.279 nJ.

2.79μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应研究

研究中红外波段激光对CMOS图像传感器的辐照效应,对探索空间态势感知系统光学成像器件的激光干扰和损伤条件具有重要军事意义。开展了不同重频下2.79μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰与损伤实验。观察到CMOS图像传感器的饱和、过饱和以及损伤产生的绿屏、彩色条纹、黑屏、亮线等一系列干扰损伤现象。同时测量了传感器各种辐照现象相对应的2.79μm中红外激光干扰损伤阈值,研究了图像传感器辐照效应与激光重频之间的内在关系,分析了2.79μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰损伤机理。研究表明,CMOS图像传感器的激光损伤主要以材料的热熔融为主,热效应明显。在激光重频10 Hz的辐照下,饱和干扰阈值为0.44 J/cm^(2)、过饱和阈值为0.97 J/cm^(2)、损伤阈值为203.71 J/cm^(2)。研究表明CMOS图像传感器具有很好的抗干扰和抗损伤能力,实验测得的相关阈值数据在空间激光攻防领域具有重要的参考价值。

采用CMOS传感器的宽照度静态图像采集方法

介绍一种基于CMOS有源像素传感器为感光元件的宽照度范围的静态图像采集方法.采用非线性曝光二值化图像叠加技术,达到有效降低图像的饱和溢出和改善图像暗场空缺的目的;利用CMOS图像传感器输出像元信号电压与曝光时间的线性响应关系,给出一种非线性曝光时间计算方法,使像元输出电压随光照度变化在一定范围内满足对数响应关系.实验分别采用白色背景下的黑色条带图像采样、室内灯光场景的景物图像采样和室外强光直射场景的仿车牌信息图像采样.结果表明,该方法获得的图像偏差率仅为传统CMOS相机探测的图像偏差率的1/7,实现了光照度在60 dB内变化图像信息的清晰识别,可应用于宽照度下车辆牌照等静态图像采集.

基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器

设计了一款基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器。传感器基于一种新型的结构,其可在时间域下探测高输入光强,在模拟域下探测低输入光强。该设计在传统电容反馈式跨阻放大器(CTIA)的基础上,新增了时间域测量电路,在不改变原有积分过程的同时可实现连续的大动态范围。基于0.35μm,5 V-CMOS工艺进行了256×1线列CMOS图像传感器流片,光电二极管面积为22.5μm×22.5μm,并对器件的光电特性进行了后仿真验证。仿真测试结果表明,基于时间域读出的图像传感器可实现96 dB的大动态范围,且时间域和模拟域的两路输出信号可同步输出,功耗为7.98 mW。

面向超大面阵CMOS图像传感器的列总线自加速建立方法研究

在超大面阵CMOS图像传感器(COMS Image Sensor,CIS)中,由于像素面阵输出的列总线上存在超大的寄生电阻电容,列总线信号建立速度的主导因素发生改变,严重影响了读出速度.为了解决这一问题,本文提出了一种可应用于超大面阵CIS列并行读出机制的列总线自加速建立方法,基于电流增益增强理论,在不引入额外总线的前提下,通过对模拟信号建立过程的实时跟踪,加快列总线信号的变化过程,在列总线终端实现了自加速,将超长列总线的读出速度提升了一个数量级. 55 nm工艺下的测试与实验结果显示,采用本文提出的方法后,在亿级像素规模CIS列总线引入的寄生电容与寄生电阻分别为47 pF和20 kΩ的情况下,光电信号从像素节点到列级电路采样节点的上升建立时间由4μs缩短至790 ns,下降建立时间由22.43μs缩短至1.17μs,将亿级像素规模的CMOS图像传感器帧频提升至100帧,压缩了相关双采样的取样间隔时间,从而拓宽了噪声抑制的频率范围.本文方法实现了在保持低噪声和高速读出的同时,单列功耗仅有6.6μW.

基于CMOS图像传感器的铣刀侧刃磨损检测误差自补偿方法研究

铣刀广泛用于船舶、医疗等各领域零部件的加工,由于刀具磨损直接影响工件的加工质量和加工效率,因此,针对工件加工过程中立铣刀侧刃的不规则磨损难以精确检测的问题,提出一种自适应拍摄角度的磨损误差补偿方法。通过分析拍摄角度对不同形状磨损域的影响规律,结合刀具结构参数建立刀具磨损量与拍摄角度之间的映射模型,实现因拍摄角度不同而导致的刀具磨损检测误差自动偿算。不同拍摄角度的实验结果表明,磨损检测精度大于95%,验证了磨损检测误差自补偿方法的可行性。该研究方法与思路对后续刀具磨损测量的高精度智能化检测具有借鉴意义。